趙積智 趙積明

（1.洛陽(yáng)石化工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 洛陽(yáng)471000；2.中化泉州石化有限公司，福建 泉州362103）

針對(duì)某延遲焦化裝置現(xiàn)行工藝操作狀況，將焦化污油通過焦炭塔塔頂油氣管線上急冷油注人口輸送至焦炭塔進(jìn)行回?zé)?，從而大量焦粉通過油氣管線輸送至分餾塔，導(dǎo)致油氣管線結(jié)焦、分餾塔塔底結(jié)焦及輻射進(jìn)料泵堵塞，嚴(yán)重威脅裝置的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行。對(duì)此通過對(duì)空塔氣速的數(shù)據(jù)及對(duì)污油回?zé)捤a(chǎn)生影響因素分析提出抑制措施。

1 原因分析

污油來自于焦化污油處理罐，經(jīng)做靜止沉淀試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)污油上層水中含有大量焦粉顆粒，其中污油含水量約20%～60%。污油含水過多，增大了焦炭塔內(nèi)氣體流量及焦炭塔內(nèi)氣速，以至于蒸汽和油氣將泡沫層中的焦粉攜帶沖入分餾塔中，影響裝置的正常運(yùn)行。另外，污油自身含有大量焦粉顆粒，50℃左右的污油在沒有完全進(jìn)入焦炭塔內(nèi)就被汽化反應(yīng)，隨塔內(nèi)油氣和水蒸氣一并被攜帶到分餾塔。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，焦炭塔內(nèi)焦層高度（18～19 米）和泡沫層高度（約3 米），計(jì)算得安全空高為2～3 米。焦炭塔安全空高在3m 以下時(shí)，焦粉和泡沫焦極易被攜帶進(jìn)入油氣大管線和分餾塔，泡沫層中的焦粉易沉積在管壁形成“焦核”[1]。而空高越大，焦炭塔的利用率越低，但油氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間延長(zhǎng)，有利于泡沫層氣泡的破裂，可以減輕油氣管線和分餾塔的結(jié)焦。

2 實(shí)際生產(chǎn)中焦炭塔空塔氣速的計(jì)算及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)焦炭塔允許空塔氣速計(jì)算公式：v允許=0.048×C×[(ρ泡沫-ρ油氣)∕ρ油氣]0.5（式中：v允許-塔內(nèi)的允許氣速m∕s；ρ泡沫-泡沫層的密度（30～100kg∕m3）；ρ 油氣-油氣的密度（5～6kg∕m3）；C-系數(shù)（0.8～1.0））[2]。得塔內(nèi)的允許氣速在：0.096～0.21m∕s，國(guó)內(nèi)外焦炭塔塔內(nèi)的操作氣速大部分在0.09～0.19m∕s 之間，基于國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)和油氣管道的清焦措施，空塔氣速控制在0.15m∕s以內(nèi)為宜[2]，盡量避免油氣管道和分餾塔底結(jié)焦保證裝置長(zhǎng)周期生產(chǎn)。

空塔氣速指焦炭塔內(nèi)上升油氣的體積流量與塔橫截面積之比，即將所有物料按照操作條件下焦炭塔溫度、壓力等條件還原為實(shí)際體積，從而得到焦炭塔的氣速。假定：

（1）焦化為三爐六塔裝置，焦炭塔直徑為f9000mm，急冷油不計(jì)算在內(nèi)；加工損失計(jì)算在焦炭中。

（2）焦炭塔塔頂溫度T1 為：450℃（數(shù)據(jù)來自于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中裝置主要操作條件表），塔底溫度T2為495℃；則：焦炭塔平均溫度T=（T1+T2）∕2=472.5℃。

（3）焦炭塔塔頂壓力P=0.27MPa（A）。

（4）根據(jù)提供的關(guān)于焦化裝置2018 年2 月至6 月焦化單元的物料平衡表以及焦化裝置產(chǎn)品的物性數(shù)據(jù)，通過模擬計(jì)算得出近5個(gè)月來各產(chǎn)品的混合物平均相對(duì)分子質(zhì)量M（kg∕kmol），根據(jù)焦化裝置近5個(gè)月產(chǎn)品的質(zhì)量流量，通過F=m∕M計(jì)算得出不同月份各產(chǎn)品的摩爾分?jǐn)?shù) F（Kmol∕h）。

在工程計(jì)算中，一般操作壓力在1.0MPa 以下，可按照理想氣體對(duì)待，對(duì)于流動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)焦炭塔的體積流量可按以下公式求得：qv=FRT∕P(式中：qv—焦炭塔內(nèi)氣體體積流量，m3∕h；F—每個(gè)焦炭塔內(nèi)氣體總摩爾數(shù)，mol∕h；P—焦炭塔內(nèi)氣體壓力，Pa；T—焦炭塔內(nèi)氣體溫度（熱力學(xué)溫度），K；R—通用氣體常數(shù)，8.314J∕mol·K)。

從而，計(jì)算得出2018年2月至6月焦炭塔內(nèi)的空塔氣速。

表-1 實(shí)際生產(chǎn)中焦炭塔空塔氣速表

注：在計(jì)算空塔氣速過程中，其中蠟油、蠟油循環(huán)量及加熱爐注蒸汽量按照初始設(shè)計(jì)的量考慮。其中，蠟油組份的混合物平均相對(duì)分子質(zhì)量大（約334.0g∕mol），對(duì)焦炭塔內(nèi)氣體流量無大的影響。加熱爐注汽量按單臺(tái)爐注汽1.27t∕h計(jì)，通過計(jì)算過程可以得出，注汽量的大小對(duì)塔內(nèi)氣速影響很大，成正比關(guān)系。

（5）依據(jù)以上已知條件，假設(shè)將焦化污油處理罐中污油徹底輸送至焦炭塔塔頂內(nèi)空高位置處進(jìn)行回?zé)挘塾突責(zé)捔堪?t∕h 計(jì)，其中污油含水量按40%計(jì)，污油操作溫度為50℃，并在塔頂溫度、壓力不變的情況下，求得焦炭塔空塔氣速如下表。

表-2 增加污油回?zé)捄蠼固克账馑俦?/p>

注：在焦炭塔內(nèi)增加污油回?zé)捄罂账馑俚挠?jì)算過程中，污油的混合平均相對(duì)分子質(zhì)量大，對(duì)其氣體流量無大的影響，計(jì)算中僅考慮污油中水含量的摩爾分?jǐn)?shù)。

數(shù)據(jù)分析：（1）通過計(jì)算焦炭塔空塔氣速數(shù)據(jù)顯示，采用三爐六塔，焦炭塔直徑f9000mm，在此塔徑下油氣線速均在理想的范圍內(nèi)。即焦化裝置油氣管線焦粉攜帶量與目前裝置生產(chǎn)狀態(tài)下油氣的線速無多大影響。（2）通過表-1和表-2兩組數(shù)據(jù)對(duì)比分析，污油輸送至焦炭塔塔頂內(nèi)空高位置處進(jìn)行回?zé)?，在塔頂溫度和壓力不變的情況下，進(jìn)行裂解吸熱和縮合放熱反應(yīng)，其中部分污油反應(yīng)生成油氣及焦炭，而污油中水被汽化生成大量蒸汽，增大了焦炭塔內(nèi)氣體流量及焦炭塔內(nèi)氣速，以至于蒸汽和油氣將泡沫層中的焦粉攜帶沖入分餾塔中，影響裝置的正常運(yùn)行。（3）根據(jù)不同月份生產(chǎn)負(fù)荷的高低及對(duì)應(yīng)空塔氣速數(shù)據(jù)顯示，焦化裝置負(fù)荷增大，參加裂解反應(yīng)產(chǎn)生的油氣量增大，油氣線速提高。而且縮合反應(yīng)產(chǎn)生的高粘度中間產(chǎn)物數(shù)量增加，生成焦炭總量就越多，導(dǎo)致泡沫層高度增加，焦炭塔塔頂安全空高降低，油氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間減少，易使油氣攜帶泡沫層內(nèi)焦粉至油氣管線和分餾塔。

3 污油作為急冷油進(jìn)塔回?zé)挼挠绊?/h2>

將50℃左右的污油輸送至焦炭塔內(nèi)回?zé)?，總反?yīng)為吸熱反應(yīng)，致使焦炭塔塔頂溫度下降，導(dǎo)致中間產(chǎn)物泡沫層反應(yīng)不徹底，降低渣油在焦炭塔內(nèi)的反應(yīng)效率，以至于泡沫層高度增加。

污油中含水過多，增大了焦炭塔內(nèi)氣體流量及焦炭塔內(nèi)氣速，以至于蒸汽和油氣將泡沫層中的焦粉攜帶沖入分餾塔中。

4 抑制措施

根據(jù)延遲焦化裝置現(xiàn)行運(yùn)行情況及狀態(tài)，污油通過焦炭塔塔頂油氣線進(jìn)塔回?zé)捄徒固克踩崭哌^低是導(dǎo)致大量焦粉被攜帶到分餾塔的主要原因。現(xiàn)通過以下幾點(diǎn)措施來抑制油氣管線及分餾塔的結(jié)焦問題。

（1）優(yōu)化原料性質(zhì)及工藝參數(shù)

原料性質(zhì)與焦炭塔內(nèi)起泡性能有著密切的聯(lián)系。通常越容易起泡的原料焦化時(shí)產(chǎn)生的泡沫層越高。中國(guó)石油大學(xué)重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在研究稠油焦化起泡性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)非反應(yīng)下起泡高度較高的稠油，在熱反應(yīng)下起泡性能較強(qiáng)，而且一般環(huán)烷基、中間基的渣油焦化泡沫層高于石蠟基的渣油[3]。從原料組份含量來說，渣油中鹽含量增加，在焦炭塔內(nèi)就容易發(fā)泡，泡沫層升高，導(dǎo)致油氣攜帶大量的焦粉進(jìn)入油氣管線和分餾塔。即對(duì)原料的預(yù)處理加強(qiáng)控制管理，對(duì)原料進(jìn)行分析，鹽含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（2）優(yōu)化加熱爐出口溫度

加熱爐出口溫度對(duì)泡沫層高度有著重要影響，因?yàn)樗苯記Q定著焦炭塔內(nèi)反應(yīng)速率。在初始進(jìn)料和末期進(jìn)料時(shí)，適當(dāng)將加熱爐出口溫度提高1～2℃，使其焦炭塔內(nèi)反應(yīng)深度加大，泡沫層在高溫下充分反應(yīng)生成焦炭，從而減低泡沫層的高度[4]。實(shí)際生產(chǎn)中證明了這一點(diǎn)，加熱爐出口溫度沒提高1℃，泡沫層高度可降低約0.76米[5]，從而降低焦炭塔內(nèi)反應(yīng)速率。

（3）減少污油回?zé)掝l率

焦化裝置污油回?zé)挷捎米鳛榧崩溆偷姆绞竭M(jìn)行，由于污油較重，且不能在焦炭塔內(nèi)進(jìn)行完全汽化，部分液相很容易附著在揮發(fā)線上引起結(jié)焦。另外，在污油回?zé)挄r(shí)，污油中含水量被汽化，增大塔內(nèi)體積流量及塔內(nèi)氣體線速，造成塔頂溫度波動(dòng)，易造成塔內(nèi)泡沫層反應(yīng)不充分，泡沫層增高等現(xiàn)象。

（4）作好焦炭塔安全空高的監(jiān)控

通過減低焦層及泡沫層高度來增大焦炭塔安全空高，提高中間產(chǎn)物泡沫層在焦炭塔內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間，增大反應(yīng)深度。

5 結(jié)語(yǔ)

延遲焦化裝置的工藝特點(diǎn)決定了焦炭塔內(nèi)不可避免的會(huì)有焦粉帶入油氣管線及分餾塔，減少焦粉攜帶量，對(duì)于裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行及最大限度提高裝置處理能力有重要的意義，緩解焦粉攜帶的技術(shù)方法還需進(jìn)一步探討研究。目前減少污油回?zé)掝l率、優(yōu)化原料性質(zhì)及作好焦炭塔安全空高的監(jiān)控，能盡可能減少油氣焦粉的攜帶量。